CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN Se construyó un dispositivo de flujo continuo único y específico para la producción de biodiesel con el cual se pretende alcanzar una conversión máxima cercana al 100% de triglicéridos a metil ásteres. Este proceso está adaptado con uno de los equipos más novedosos y modernos para la producción de biodiesel el cavitador ultrasónico.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Hoy en día, biodiesel es producido principalmente en los reactores por lotes, es decir no se realiza de manera continua, el procesamiento en flujo asistido con ultrasonido permite el procesamiento de biodiesel en línea y flujo continuo. Con este método se puede alcanzar un rendimiento superior al 99% en la producción de biodiesel. El reactor ultrasónico reduce el tiempo de procesamiento en comparación a los métodos convencionales de producción de biodiesel que van desde una hora lo más eficientes a cuatro horas en algunos casos, con el método continuo asistido con cavitadores ultrasónicos se reduce el tiempo de generación de biodiesel a menos de 30 segundos. Más importante aún, ultrasonidos reducen el tiempo de separación de 5 a 10 horas (mediante agitación convencional) a menos de 60 minutos. Los ultrasonidos también ayudan a disminuir la cantidad de catalizador necesaria hasta en un 50% debido al aumento de la actividad químico en presencia de cavitación. Cuando se utiliza ultrasonido se reduce la cantidad de metanol. Además, del aumento en la pureza de la glicerina como producto derivado de la reacción.

La aplicación de ultrasonido al sistema o mezcla de reacción mejora significativamente la velocidad de reacción generando los productos como ya se mencionó en tiempos muy por debajo de los métodos tradicionales, esto es debido a el incremetno en la energía mecánica lo cual favorece las colisiones energéticas de los reactantes que alcanzan con mayor facilidad la energía de activación para la transesterificación de biodiesel industrial.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Breve descripción de ¡as figuras:

Figura 1 Gráfica de velocidad de conversión de metil ester.

Figura 2 Gráfica de cinética de segundo orden

Figura 3 Cavitador ultrasónico de flujo continuo

La presente invención muestra un novedoso esquema de reacción de alta eficiencia para la transesterificación de grasas y aceites, caracterizado por: a) una estructura tubular sinusoidal (1 ) de pared delgada capaz de transmitir vibraciones de hasta 5 MHz; b) un primer transductor ultrasónico (2) de mas de 10 MHz con una potencia de 50 watts colocado en el primer punto valle de la estructura tubular; c) un segundo transductor ultrasónico (3) de mas de 10 MHz con una potencia de 67 watts colocado en el primer punto pico de la estructura tubular; d) un tercer transductor ultrasónico (4) de mas de 10 MHz con una potencia de 83 watts colocado en el segundo punto valle de la estructura tubular; e) un procesador de datos (5) capaz de poner en fase las vibraciones generadas por los cuatro cavitadores ultrasónicos basado en la minimización de la potencia reflejada por cada uno de los cavitadores. El diseño propuesto utiliza tres cavitadores ultrasónicos, cada uno ubicado en sitios separados para llevar a cabo la reacción de transesterificación. La bibliografía nos menciona que si los reactivos se tratan una sola vez en el cavitador, la reacción se lleva a un 99% de conversión. Experimentalmente observamos que los reactivos o la mezcla, se tuvo que hacer pasar 2 o más veces a través del cavitador para poder obtener una buena conversión en la reacción y poder alcanzar la mencionada en la bibliografía. Por lo dicho anteriormente, se ha propuesto tener cuatro sitios de cavitación para asegurar que se obtenga una conversión de lo más alto posible, entre un rango de 97 al 100%.

Los cuatro cavitadores serán de intensidades diferentes. Las intensidades de lo cavitadores irán de menor a mayor intensidad, utilizando cavitadores inicialmente de 50 Watts e incrementando a 100 Watts en la etapa final. Esta innovación es debido a las características que presenta la cinética de la reacción que no dice que conforme avanza la reacción disminuye la concentración inicial de los reactivos lo que trae como consecuencia una perdida en la velocidad de transormación de los reactivos a productos por lo cual en nuestro dispositivo continuo de conversión ultrasónica se intensifica la energía mecánica aplicada conforme avanza la reacción y asegurando la mayor frecuencia de colisiones y su energía para sobrepasar la energía de activación y lograr en condiciones de baja concentración de reactivos una mayor eficiencia de la reacción hasta un 99% de conversión a productos.

En este diseño, ios cavitadores están calibrados a trabajar en forma armónica. Esto se refiere a que están calibrados para las ondas liberadas de todos los cavitadores no choquen entre sí y se anulen las vibraciones, así afectando la conversión de la reacción. Están calibradas para que al chocar entre sí las ondas de los cavitadores se incremente la energía mecánica y beneficie la conversión, así sumando las potencias de los cavitadores y no anulando su efecto.

Tubería

A lo largo del recorrido, se ha diseñado que la mezcla pase a través de ocho codos en el recorrido. Lo anterior está planeado con el único propósito de ayudar a crear turbulencia y agitación en el fluido para mantener una mezcla homogénea con respecto a la temperatura y concentración.

El diseño trabaja con una tubería pequeña de ½ pulg. Esto ayuda a concentrar la energía liberada de los cavitadores en volúmenes más pequeños de mezcla (reactivos homogenizados) y así cerciorarse que se aproveche por completo la energía del cavitador para transformar los reactivos en productos. Cuando el cavitador trabaja con volúmenes grandes de mezcla, solamente una parte de esa energía se aprovecha en la mezcla y no ayuda a la reacción y se obtienen valores bajos de conversión, esto observado en varias de las prácticas industriales. Con este diseño se logra que la energía del cavitador se aproveche completamente en la conversión de la reacción y obteniendo valores entre 97%- 100%.

Es muy importante que la concentración se mantenga homogénea para poder asegurar que todos los triglicéridos estén rodeados y en contacto con el metóxido a todo tiempo, para poder facilitar la reacción y asegurar que se tenga una conversión alta.

También la temperatura es muy importante de mantenerla homogénea, para asegurar que toda la mezcla reaccione de igual forma y obtener así el mismo producto a cualquier tiempo.

Flujo

El diseño cuenta con una bomba al inicio y una válvula al final del proceso, que con ayuda de los dos, se controla el flujo de la mezcla con la cual se trabaja. El control del flujo se regula logrando que la mezcla cumpla con el tiempo de residencia necesario dentro del proceso para ^" que la reacción se lleve a cabo lo más eficiente posible.

En la bibliografía se establece que con un cavitador ultrasónico se maneja un caudal de 1.6 litros por minuto y se reportan conversiones de 99%, pero poniendo este caudal en práctica se obtienen conversiones entre un rango de 70 al 80%, lo cual es bajo y no deseado. Utilizando un caudal entre 0.8 y 1 litro por minuto con nuestro diseño, se alcanzan conversiones en promedio de 97%.

Cinética de la Reacción

En la producción de biodiesel se lleva a cabo una reacción conocida como tranesterificación. La reacción normal sin asistencia del cavitador ultrasónica hace que trabajemos con una reacción de segundo orden.

Esto nos indica que conforme avanza la reacción y el tiempo va aumentando, la velocidad de reacción (o la conversión de los reactivos) se irá haciendo cada vez más lenta. Esto no conviene debido a que se pretende alcanzar la mayor conversión que se pueda en el menor tiempo posible. En este proceso, para alcanzar conversiones muy altas es necesario espera mucho tiempo la reacción por su comportamiento asistótico, lo cual no es conveniente en costos para la empresa.

Con el uso de nuestro diseño hacemos más eficiente esta reacción. Gracias al arreglo de cavitadores ultrasónicos y diseño de las tuberías, podemos incrementar como ya se ha dicho la velocidad de reacción logrando hacer eficiente la rección, con mayor tranfórmación en la parte asintótica.

— = kt

a-x + - a Ecuación linearizada

Bajo estas condiciones la reacción no necesita de tiempos largos para alcanzar conversiones altas en la reacción. La reacción del proceso se hace más eficiente debido a que estamos acortando tiempos de producción para poder alcanzar los mismos resultados o hasta incluso mejorar éstos mismos.

La velocidad de una reacción depende de varios factores:

v=k[A] ^a [B] ^p

k = constante cinética

[A] ^a = concentración reactivo A

[Β] ^β = concentración reactivo B

V= Velocidad de la reacción

Las ondas que emite el cavitador ultrasónico tienen un efecto directo sobre la constante cinética (k) que se incrementa su pendiente logrando mayor tranfórmación en menor tiempo. Estas ondas emitidas causan una vibración y agitación extrema a nivel molecular, lo cual hace que se incremente la energía disponible para la reacción, así al igual aumentando la temperatura y modificándola.